Поверхность района низинно-равнинная. Большая его часть (85%) расположена в пределах Брестского Полесья, небольшая часть на севере (севернее линии Большие Мотыкалы-Жабинка) размещена на Прибугской равнине. Почти 2/3 территории на высоте 130 - 150 м. Наивысшая точка 186 м над уровнем моря (вблизи д. Заполье Мотыкальского сельсовета), самая низкая отметка 123 м (урез Западного Буга). На юге и востоке относительные превышения до 2 м/км2, на северо-востоке до 10 м/км2.

Климат Прибужья является переходным от морского к континентальному, характеризуем достаточно мягкими зимами с продолжительными оттепелями. Преобладает перенос воздушных масс в направлении с запада на восток.
Средняя температура воздуха в январе -4,4°С, в июле 18,8°С. За год выпадает 609 мм осадков. Вегетационный период длится 214суток.

Основная река - Западный Буг с притоками Лесная, Мухавец, Спановка, Капаювка. Мухавец входит в систему Днепровско-Бугского водного пути. Середовая Речка раньше впадала в Западный Буг, позже по каналу отведена в Спановку. Густота природной речной сети 0,5 км/км2. Крупнейшие озера - Селяховское, Рогознянское, Белое, Черное, Тайное, Страдечское, Меднянское. Длина мелиоративной сети 4,1 тыс. км, в т. ч. отрегулированных водоприёмников 63 км, магистральных и подводных каналов 557 км оградительных 20, регулирующих каналов 378 км.

Под лесами 34,9% территории района. Часть их занесена в охранные зоны. Крупнейшие лесные массивы - Тельминский, Мухавецкий, Белоозеровский. Сосновые леса занимают 72,8%, черноольховые 10,6, берёзовые 10,4, дубовые 3,7%.
Болота занимают 4,4 тысяч га.

На территории района создан ландшафтный заказник республиканского значения «Прибужское Полесье» (куда включен бывший биологический заказник Селяхи), который включен в список Всемирного объединения биосферных резерватов, находящихся под защитой ЮНЕСКО. Биосферный заповедник Прибужское Полесье расположен в приграничном районе Полесья. Площадь составляет 7950 га. Его особенностями является то, что здесь произрастает более 20 видов растений, занесённых в Красную Книгу Беларуси, в том числе уникальных - королевский папоротник и белорусская орхидея – венерин башмачок. Здесь же находится самая южная точка таёжного растения - берёзы низкой. На территории заказника насчитывается также более 40 видов животных, занесённых в Красную Книгу, среди которых популяции летучих мышей, серый ушан и ночница бранда. Он характерен своими хвойными лесами, и крайне редкими заливными лугами и лесами. Ведутся переговоры о создании международного биосферного заповедника, который объединит «Польский полесский парк», украинский «Шацкий природный национальный парк» и заказник «Прибужское полесье».
Действуют три заказника местного значения: «Бугский» (7567 га), «Брестский» (65 га), «Барбастолла» Кроме того, имеются памятники природы - «островные» ельники, бук лесной пурпурный.

В районе имеются уникальные по своей красоте уголки природы, пользующуюся большой популярностью у туристов и отдыхающих из всех уголков страны. В 25 км от Бреста расположен курорт Белое Озеро с санаторием «Берестье». Там же туристическая база «Белое Озеро» и другие базы отдыха.

Памятниками природы объявлены Медненские ельники, Лютовские буки.